CT成像资料

医学图象处理医学图象处理 上海理工大学 医学图象配准医学图象配准 医学影象设备在最近十年中得到迅速的发展，并广泛应 用于临床诊断和治疗中。由于成像的原理和设备不同，存 在有多种成像模式（解剖成像、功能成像）。 对人脑可用多种模式成像 配准的目的：将多中成像模式或同一种模式得到的多幅 图象综合分析，更好的了解组织情况。 解决的问题：几幅图象的严格对齐 1 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 引言引言 本章的主要内容 ： 配准的基本概念 医学图象基本变换 配准的类型 基本空间变换模型 主要的配准方法 配准的评估 主要掌握 ： 配准的基本概念以及刚体变换 2 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.1 配准的概念配准的概念 对几幅不同的图像作定量分析，首先要解决这 几幅图像的严 格对齐 问题，这就是我们所说的 图像的配准 （ image registration）。 医学图像配准 是指对于一幅医学图像寻求一种（或一系列） 空间变换 ，使它与另一幅医学图像上的对应点达到 空间上的 一致 。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上 有相同的空间位置（位置一致，角度一致、大小一致）。 几幅图象信息综合的结果称作 图象的融合 （ image fusion） 。 3 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第一节第一节 配准概念配准概念 图象配准示意图（从不同角度，不同位置得拍摄的照片，每 张照片反映某些方面的特征） ： 配准实现过程： 1. 获得特征图象：不同角度、不同条件 2. 图象配准：通过空间变换（移动和旋转），使两幅图象对齐 3. 图象融合：得到整体特征图象 4 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第一节第一节 配准概念配准概念 实例 ： 5 6 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第二节第二节 基本变换基本变换 几何变换的种类 ： 刚体变换 仿射变换 投影变换 弯曲变换 7 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第二节第二节 基本变换基本变换 刚体变换 ：指物体内部任意两点间的距离及平行关系保持 不变（处理人脑图像，对不同方向成像的图像配准常 使用刚体变换） 仿射变换 ：保持平行性，但距离发生变化，直线还是直线 （校正成像设备的误差产生的畸变） 投影变换 ：直线映射成直线，平行性和两点间的距离变化 （二维投影图象与三维图象的配准） 弯曲变换 ：直线变成曲线 (解剖图谱变形拟合图象数据 ) 8 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.3 配准的类型配准的类型 根据成像模式的不同，以及配准对像间的关系等，医学图 像配准可有多种不同的分类方法： 9 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型1. 同一对象的图象配准 单模图象配准 ：相同的成像设备，不同角度或 时间或不同成像条件 多模图象配准 ：不同的成像设备 10 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型单模配准的典型应用： （ 1） 不同 MR加权像间的配准 T1 加权像 T2 加权像 质子密度加权像 不同组织表现不同强度 见书本 p143页 信息互补 （ 2） 电镜图象序列的配准 不同时间采集的多幅图象 （时间序列图象） 粒子移动，形态变化 研究生长现象 11 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型单模配准的典型应用： （ 3） fMRI图象序列的配准 （ 4） 胸腹部脏器的图象配准 不同时刻的三维脏器图象 四维图象分析 时间序列图象，大脑活动会产生氧摄取量和血流间的不平衡 MRI图象测得信号的改变 解决：参考点位置确定（定位问题） 运动过程中的局部变形和噪声问题 12 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型多模医学图象配准： 待配准的两幅图象来源于不同的成像设备。 解剖图象： CT：对密度差异较大的组织效果好 MRI：可识别软组织 较高的空间分辨率 功能图象： SPECT/PET：能反映人体的功能和代谢信息 空间分辨率差 一般临床上的应用： CT（或 MRI）和 SPECT（或 PET）的综合分析， 同时提供功能和解剖信息 13 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型多模医学图象配准： 人脑 MR/PET图象配准 上排：轴向图； 中间：矢状图； 下排：冠壮图 左： PET图象； 中： MRI图象； 右：融合图象 难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图象间并不存难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图象间并不存 在简单的一一对应关系在简单的一一对应关系 14 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型2. 不同对象的图象配准 被试图象 典型正常图象 疾病的典型图象 对比 是否出现异常 是否属于同类 难点：不同对象形状、大小、位置差异 方法： 1）确定一个共同的标准。 要求有一个详细标记人体各个解剖位置的计算机化标准图 谱，如 Talairach标准空间，把两幅图象分别映射到图谱，再 比较 15 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 Talairach人脑图谱 对两个病人的 PET或 MR图象进行比较，首先把二者的图 象都映射到这个共同的参考空间，然后再比较 不同对象的图象配准方法： 胼胝体 16 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 用非线性变换法配准不同人脑表面沟回 2）非线性形变法 将三维图象逐渐变形，最终较好的与另一个三维图象匹 配 不同对象的图象配准方法： 17 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型3. 图象与图谱配准或与物理空间配准 在手术导航系统中解决图象象素与实际物理空间的位置配准 图象空间 立体定向装置、人体实体空间 坐标变换 实现方法： 18 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.4 基本空间变换模型基本空间变换模型 医学图像配准采用均匀坐标系统，在二维空间，从坐标 （ x,y）到新坐标（ x,y）的变换可以表示为： 三维空间变换可以表示为： 19 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 图像的变换模型 ： 刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换） 全局尺度变换 仿射变换（ 9参数仿射变换、一般仿射变换） 透视变换 * 非线性空间变换 * 第四节第四节 空间变换空间变换 20 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 医学图象配准在大多数情况下是采用刚体变换模型。 人体的很多组织可以 近似 为刚体，如骨头、由颅骨固定 的大脑等 刚体变换： 平移 、 旋转 （ 1）刚体变换 物体内部两点间的距离和角度保持不变物体内部两点间的距离和角度保持不变 第四节第四节 空间变换空间变换 21 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 二维刚体变换：沿 x轴平移： 向右平移 p为正 向左平移 p为负 矩 阵 公式： 变换 公式： 其中 x 与 y 是平移后的 结 果 第四节第四节 空间变换空间变换 22 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 沿 y轴平移： 向上平移 q为正 向下平移 q为负 矩 阵 公式： 变换 公式： 其中 x 与 y 是平移后的 结 果 第四节第四节 空间变换空间变换 23 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 绕坐标原点旋转： 矩 阵 公式： 变换 公式： 第四节第四节 空间变换空间变换 24 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 复合变换： 不同顺序的变换得到的结果是不同。 先沿 x轴 平移，再沿 y轴 平移，最后 绕 原点旋 转 先 绕 原点旋 转 ，再沿 y轴 平移，最后沿 x轴 平移 第四节第四节 空间变换空间变换 25 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 举例： 设刚体变换先绕坐标原点旋转 10，再沿 x轴 平移 4个 单 位 ，然后沿 y轴 平移 9个 单 位 设刚体变换先 沿 x轴 平移 4个 单 位，再沿 y轴 平移 9个 单 位 ，然后 绕坐标原点旋转 10 第四节第四节 空间变换空间变换 26 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换 对于一个给定的变换结果，可 以有许多不同的变换途径 先沿 X轴平移 2.3764个单位 再沿 Y轴平移 9， 5579个单位 最后绕坐标原点旋转 10度 27 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 三维刚体变换：沿 x轴平移 向右平移 p为正 向左平移 p为负 矩 阵 公式： 变换 公式： 其中 x ,y ,z 是平移后的 结 果 第四节第四节 空间变换空间变换 28 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 沿 y轴平移： 向上平移 q为正 向下平移 q为负 矩 阵 公式： 变换 公式： 其中 x ,y ,z 是平移后的 结 果 第四节第四节 空间变换空间变换 29 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 沿 z轴平移： 向前平移 r为正 向后平移 r为负 矩 阵 公式： 变换 公式： 其中 x ,y ,z 是平移后的 结 果 第四节第四节 空间变换空间变换 30 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 绕坐标轴旋转： 绕 x轴 旋 转 ： 绕 y轴 旋 转 ： 绕 z轴 旋 转 ： 第四节第四节 空间变换空间变换 31 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 复合变换： 结合先旋转、后平移，及先平移后旋转，共有 12种不同 的组合顺序。对于先旋转后平移有： 与二维复合变换相同，不同顺序的变换得到的结果是不同 ; 对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径 第四节第四节 空间变换空间变换 32 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 图像的变换模型 ： 刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换） 全局尺度变换 仿射变换（ 9参数仿射变换、一般仿射变换） 透视变换 * 非线性空间变换 * 第四节第四节 空间变换空间变换 33 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （ 2）全局尺度变换 在刚体变换基础上增加一个新参数 m，使图像全局缩放 m倍 第四节第四节 空间变换空间变换 注：尺度变换与平移变换的顺序有影响，但与旋转变换顺 序无关。 34 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 图像的变换模型 ： 刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换） 全局尺度变换 仿射变换 （ 9参数仿射变换、一般仿射变换） 透视变换 * 非线性空间变换 * 第四节第四节 空间变换空间变换 35 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （ 3）仿射变换 9参数仿射变换 各方向上尺度变换系数不同， 1）对于同一个人的图像配准，可以在做旋转变换之前做尺 度缩放 2）对于不同人的图像配准，可以先旋转对准图谱，然后做 三个方向的尺度缩放 第四节第四节 空间变换空间变换 36 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 基本的二维仿射变换举例： 第四节第四节 空间变换空间变换 沿 X轴 整体旋转 沿 Y轴 沿 X扩大 整体扩大 /缩小 沿 Y扩大 原图 不改变面积 改变面积 37 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 一般仿射变换 二维仿射变换： 三维仿射变换： 无需计算正弦和余弦，由变换参数决定变换结果 第四节第四节 空间变换空间变换 38 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换（ 4）透视变换 直线经变换后还是直线，但平行的直线近变换后可能相交。 39 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换（ 5）非线性变换 无线性约束，一般用于校正图像获取过程中由仪器设备引 入的畸变 40 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 配准方法配准方法6.5 主要配准方法主要配准方法 点法 曲线法 表面法 矩和主轴法 相关法 最大互信息配准方法 图谱法 非线性变换 41 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （ 1）点法 先寻找两幅图像之间的标志点（相同的点），然后通过对 对应点集的刚体变换，将标志点对准，实现图像配准 标志点可以分为： 内部点 和 外部点 两种 内部点：是从与病人相关的图像性质中 得到解剖标志点，如耳蜗尖端 拐角、血管分叉或拐角处等 内部点寻找困难、费时 外部点：采集图像前，在病人的特定部位添加标记，使 得两幅图像都能检测到标记点，如螺钉、记号 外部点容易识别，但受试者需要严格保持不动 第五节第五节 配准方法配准方法 42 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 图 像 1 图 像 2 确定 标 志点 几何 变换 配准图像 寻 找 对应 点确定 对应 关系 第五节第五节 配准方法配准方法 43 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 配准方法配准方法（ 2）曲线法 用人工的方法寻找两幅图像对应的开曲线，在两条曲线对 应最佳的线段找出一组对应点，再用点法配准 ridge lines（ 脊线） 44 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 “帽子 ” 从一幅 图 像 轮 廓提取的点集 头 表面模型 另一幅 图 像表面 （ 3）表面法 配准原则：寻找到的几何变换使得点与表面间的距离平 均平方值最小 第五节第五节 配准方法配准方法 45 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （ 4）矩和主轴法 计算两幅图像象素点的质心和主轴，通过平移和旋转使 质心和主轴对齐，实现配准 缺点： 1.对数据的缺失敏感，整个物体必须完整的出现在 两幅图像中 2.对准效果不是很好，只能做前期配准，减少后续 主要配准方法的搜索步骤 第五节第五节 配准方法配准方法 46 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （ 5）相关法 适用于同一个物体由于图像获取条件的差异或物体自身发 生的微小变化而产生的图像序列的配准，从而发现物体的 改变 采用使图像间相似性最大化的原理，估计变换参数，利 用刚体的平移与旋转，实现配